Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
Converta com r = √(a² + b²) e θ a partir de um esboço do ponto (verifique o quadrante), e de volta com a = r cos θ, b = r sin θ.
Para potências use De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ liste todas as n raízes R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Impedância CA e fasores
Impedâncias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frequência angular
ω = 2πf
Módulo e ângulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Lei de Ohm fasorial
V = I·Z
Método
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
Encontre o módulo |Z| = √(R² + X²) e o ângulo φ = atan(X/R), e depois use a lei de Ohm com fasores.
Potência CA e fator de potência
Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Frequência natural
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energia
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Corrente de pico
Imax = V0√(C/L)
Fator de qualidade
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC série
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC paralelo
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Largura de banda
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frequências de meia potência
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuito tanque com resistência da bobina r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Decaimento da amplitude
e−Rt/(2L)
Método
Encontre primeiro a frequência de ressonância: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
Decida se o circuito é série ou paralelo: no série Q = (1/R)√(L/C), no paralelo Q = R√(C/L).
Use BW = f₀/Q para a largura de banda, ou os atalhos R/(2πL) (série) e 1/(2πRC) (paralelo).
Em questões de energia, use que a energia total ½CV₀² permanece constante em um circuito LC ideal e oscila entre C e L a cada quarto de período.
Potência trifásica
Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η
Transitórios RC e RL
Constante de tempo
τ = RC | τ = L/R
Resposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Capacitor em CC
circuito aberto; vC não pode saltar
Indutor em CC
curto-circuito; iL não pode saltar
Regime permanente
t ≈ 5τ
Método
Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
Use x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Thévenin e Norton
Tensão de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistência de Thévenin
Rth: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton
IN = Vth/Rth
Corrente na carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferência de potência
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.
2Exercícios
1.Números complexosMédia
Encontre o argumento θ de z = −6 − j4 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.
z = −6 − j4
θ = °
2.Números complexosDifícil
As raízes de zⁿ = w com n = 2 e w = 16∠−120° são zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Encontre a parte real de z₁.
w = 16∠−120°n = 2k = 1
Re(z₁) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Um resistor e um indutor estão ligados em paralelo a uma fonte de 24 V (eficaz), 50 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 200 mH
|Z| = Ω
4.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 60 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF
f0 = Hz
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 2 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a corrente de linha I.
P = 2 kWpf = 0,6V = 400 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 24 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor de 100 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.
P = 24 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
Um circuito RLC série tem R = 5 Ω, L = 10 mH e C = 2,2 µF. Encontre seu fator de qualidade Q.
R = 5 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
As frequências de meia potência de uma curva de ressonância são 100 kHz e 160 kHz. Encontre a frequência de ressonância como a média geométrica delas e depois o fator de qualidade Q.
f1 = 100 kHzf2 = 160 kHz
Q =
9.Potência trifásicaMédia
Um motor de indução trifásico fornece 11 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 94% e seu fator de potência é 0,8 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W(∞) armazenada no indutor depois que o circuito se estabiliza, em mJ.
Vs = 20 VR = 22 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 6 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 500 ms.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 6 Vt = 500 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
Uma carga RL = 5 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.
V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩRL = 5 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
Encontre a tensão de Thévenin Vth vista dos terminais a–b.
V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
Encontre a fase ∠G(jω) de G(s) = 7(s + 7)/(s(s + 10)) em ω = 0,5 rad/s, em graus.
G(s) = 7(s + 7)/(s(s + 10))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 30/(s(s + 1)(s + 6)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 30/(s(s + 1)(s + 6))
ω180 = rad/s
3Soluções
1.Números complexos
Resposta: θ = −146,3 °
Forma polar: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, com r = |z| e θ = arg z. De volta à forma retangular: a = r cos θ, b = r sin θ. O argumento exige o quadrante: θ = atan(b/a) somente quando a > 0; para a < 0 some ou subtraia 180°. Na forma polar a multiplicação é fácil: multiplique os módulos e some os argumentos; para a divisão, divida os módulos e subtraia os argumentos.
Quadrante
a = −6, b = −4 → III
Ângulo de referência
α = atan(4/6) = 33,69°
Argumento
θ = −(180° − α) = −146,3°
Resposta
θ = −146,3°
Na forma polar, z = 7,211∠−146,3°.
2.Números complexos
Resposta: Re(z₁) = −2
De Moivre e raízes: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. A equação zⁿ = R∠φ tem exatamente n raízes, todas com módulo R1/n, nos argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1: elas ficam igualmente espaçadas sobre uma circunferência, a 360°/n uma da outra. Uma equação quadrática z² + pz + q = 0 com p² < 4q tem as raízes complexas z = −p/2 ± j√(q − p²/4); um polinômio com coeficientes reais sempre tem suas raízes complexas em pares conjugados a ± jb.
Módulo das raízes
161/2 = 4
Argumento da raiz
θ₁ = (−120° + 360°·1)/2 = 120°
Forma retangular
z₁ = 4·(cos 120° + j sin 120°) = −2 + j3,464
Re(z₁) = −2
Resposta
Re(z₁) = −2
As 2 raízes ficam sobre a circunferência de raio 4, separadas por 180°.
3.Impedância CA e fasores
Resposta: |Z| = 23,23 Ω
Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.
Reatância
XL = ωL = 2π·50·0,2 = 62,83 Ω
Correntes de ramo
Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.
IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XL = 24/62,83 = 0,382 A
Corrente total
A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.
I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 0,382²) = 1,033 A
Impedância
|Z| = V/I = 24/1,033 = 23,23 Ω
Resposta
|Z| = 23,23 Ω
4.Impedância CA e fasores
Resposta: f0 = 71,18 Hz
Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.
Ressonância
Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.
Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.
Corrente de linha
Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.
I = P/(V·cos φ) = 2000/(400·0,6) = 8,333 A
Resposta
I = 8,333 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: cos φ = 0,829
Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.
Q1 = 24·tan(arccos 0,8) = 18 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·100·10⁻⁶ = 1810 var = 1,81 kvar
Q2 = 18 − 1,81 = 16,19 kvar
Nova potência aparente
S2 = √(24² + 16,19²) = 28,95 kVA
Novo fator de potência
cos φ = P/S2 = 24/28,95 = 0,829
Resposta
cos φ = 0,829
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Q = 13,48
Fator Q e largura de banda: em um circuito ressonante, Q = 2π·(energia armazenada)/(energia perdida por ciclo). No RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); no RLC paralelo, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). A largura de banda entre as frequências de meia potência f1 e f2 (em que a potência é a metade e a corrente ou a tensão é 1/√2 do pico) é BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) em série e 1/(2πRC) em paralelo. A frequência de ressonância é a média geométrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). As perdas também fazem a oscilação decair: no RLC série, a amplitude cai como e−Rt/(2L).
Impedância característica
√(L/C) = √(0,01/2,2 × 10⁻⁶) = 67,42 Ω
Fator de qualidade
Q = 67,42/5 = 13,48
Resposta
Q = 13,48
A frequência de ressonância é 1,073 kHz, então BW = f₀/Q = 79,58 Hz.
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Q = 2,108
Fator Q e largura de banda: em um circuito ressonante, Q = 2π·(energia armazenada)/(energia perdida por ciclo). No RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); no RLC paralelo, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). A largura de banda entre as frequências de meia potência f1 e f2 (em que a potência é a metade e a corrente ou a tensão é 1/√2 do pico) é BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) em série e 1/(2πRC) em paralelo. A frequência de ressonância é a média geométrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). As perdas também fazem a oscilação decair: no RLC série, a amplitude cai como e−Rt/(2L).
Frequência de ressonância
f0 = √(100000·160000) = 126491 Hz
Largura de banda
BW = 160000 − 100000 = 60000 Hz
Fator de qualidade
Q = 126491/60000 = 2,108
Resposta
Q = 2,108
9.Potência trifásica
Resposta: IL = 17,59 A
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Potência elétrica de entrada
Pin = Pout/η = 11/0,94 = 11,7 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·480·0,8) = 17,59 A
Resposta
IL = 17,59 A
10.Potência trifásica
Resposta: Cph = 366,3 µF
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.
Q1 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 54,78 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.
Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.
Constante de tempo e corrente final
Muito depois de a chave fechar, o indutor se comporta como um curto, então a corrente final depende só de R.
τ = L/R = 68 mH / 22 Ω = 3,091 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Energia armazenada
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·0,9091² = 28,1 mJ
Resposta
W(∞) = 28,1 mJ
12.Transitórios RC e RL
Resposta: vC = 9,569 V
Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.
Valor inicial, valor final, constante de tempo
A tensão no capacitor não pode saltar, então começa no valor armazenado e vai em direção à tensão da fonte.
vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ
Tensão no instante dado
vC(500) = 10 + (−4)·e−500/224,4 = 9,569 V
Resposta
vC = 9,569 V
13.Thévenin e Norton
Resposta: IL = 0,36 A
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 15 = 17,73 Ω
Encontre Vth, a tensão de circuito aberto
Com a–b aberto, não passa corrente por R₃, então não há queda nele e V_b = V_A. R₁ e R₂ formam um divisor de tensão.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·6/(5+6) = 8,182 V
Ligue a carga ao equivalente de Thévenin
A fonte de Thévenin e R_th em série se comportam exatamente como o circuito original em a–b, então a carga vê uma malha simples em série.
IL = Vth/(Rth + RL) = 8,182/(17,73 + 5) = 0,36 A
14.Thévenin e Norton
Resposta: Vth = 204,2 V
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 30 = 33,33 Ω
Encontre Vth, a tensão de circuito aberto
Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,167 + 6·3,333 = 24,17 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,17 + 6·30 = 204,2 V
15.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ∠G(jω) = −88,78 °
Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.
Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.